补强计算

子任务三开孔补强计算与附件选用◆为什么开孔？为了实现正常的操作和安装维修，需要在设备的筒体和封头上开设各种孔。如物料进出口接管孔，安装安全阀、压力表、液面计的开孔，为了容器内部零件的安装和检修方便所开的人孔、手孔等。◆开孔对容器的影响？●容器的整体强度削弱●由于设备结构的连续性被破坏，使孔边局部区域内出现应力集中。这种局部的应力增长现象，叫做“应力集中”。*其中最大应力值，称为“应力峰值”。由于结构的连续性被破坏，在开口接管处，壳体和接管的变形不一致。为使二者在连接之后的变形协调一致，连接处便产生了附加的内力，主要是附加弯矩。由此产生附加弯曲应力，便形成连接处局部地区的应力集中。•应力集中产生的根本原因补强结构补强结构局部补强整体补强补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强补强结构（a）补强圈补强结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处优点结构简单，制造方便，使用经验丰富(a)补强圈补强缺点1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。补强圈补强补强圈中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5δn、壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。应用HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-2002《补强圈》标准（b）厚壁接管补强结构在开孔处焊上一段厚壁接管特点补强处于最大应力区域，更有效降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。（b）厚壁接管补强高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。应用厚壁接管补强厚壁接管补强补强金属集中于开孔应力最大部位，最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10～15%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。结构将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接。优点缺点锻件供应困难，制造成本较高。应用（c）整锻件补强（c）整锻件补强整体锻件整锻件补强等面积补强的设计方法等面积补强：使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量。补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于壳体由于开孔而在纵截面上所削弱的正投影面积。即A1＋A2＋A3＋···＋An≥AA1、A2、A3、…、An－补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，mm2；A－壳体由于开孔在纵截面上削弱的正投影面积，mm2。内压容器：外压容器：fr－强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比。)f-C)(1-2S(SdSArnt)]f-C)(1-2S(S0.5x[dSArnt（a）适用的开孔范围（GB150-1998）①圆筒上开孔的限制：内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤iD21，且d≤520mm；内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤iD31，且d≤1000mm。②凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤iD21③锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤kD31Dk为开孔中心处的锥壳内直径。④在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。焊接接头系数小于1，但开孔位置不在焊缝上等等强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。（b）允许不另行补强的最大开孔直径（c）壳体开孔补强的要求详见表6-20有效宽度B=2d、B=d+2δn+δnt，取大值有效高度（d）开孔有效补强范围及补强面积的计算有效补强面积Ae=A1+A2+A3(若Ae≥A，不须另加补强Ae≤A，则另计A4=A-Ae；)（1）根据强度设计公式和工艺要求，计算δ和δt及C和C2，确定d；（2）由δ和δt计算B、h1和h2；（3）由A1、A2计算A；（4）Ae=A1+A2+A3（+A4）(e)开孔补强设计步骤子任务四选用安全附件一、安全阀◆安全阀的构造及工作原理●安全阀的构造弹簧式安全阀1—阀体；2—阀瓣；3—阀杆；4—阀盖；5—弹簧；6—提升手柄;7—调整螺杆；8—锁紧螺母；9—阀帽.●安全阀的工作原理：容器正常工作时介质作用在阀瓣上的力小于弹簧对阀瓣的压力，所阀瓣紧靠在阀体上，阀是关闭的；当容器内的压力超过规定的工作压力并达到安全阀的开启压力时，介质作用于阀瓣上的力大于弹簧对阀瓣的压力，于是阀瓣离开阀体，安全阀开启，设备内的介质排出；当排出一部分介质后容器内压力很快降低至正常的工作压力，此时介质作用于阀瓣的力小于弹瓣的压力，使安全阀再次关闭，设备继续工作。●安全阀的优点只排放容器内高于规定部分的压力，当压力降至正常工作压力时阀就可自动关闭，不影响设备的继续工作，且安全阀调整也比较容易。●安全阀的缺点密封性较差，即使是符合规定的安全阀也难免有微量的泄漏，由于弹簧的惯性作用使阀的开启和关闭都有滞后现象，难以适应急剧化学反应迅速升压所需要的快速泄放要求，对粘性较大或有结晶体的液体介质，阀瓣有时可能会被粘住而影响开启精度。●安全阀适用范条件适用于介质是比较清洁的气体（空气、水蒸气等）的设备上，不宜用于介质具有剧毒性的设备，更不能用于容器内有可能产生剧烈的化学反应而使压力急剧升高的设备。◆安全阀的选用选用安全阀应从以下几方面考虑●结构形式主要决定于设备的工艺条件和工作介质的特性。●泄放量安全阀的额定泄放量必须大于等于容器的安全泄放量。●压力范围安全阀在容器设计温度下的许可压力大于等于容器的设计压力。◆安全阀的安装与调试◆安全阀的使用与维护二、爆破片◆爆破片装置的构造及工作原理爆破片装置结构◆爆破片的适用范围爆破片适用在以下不宜安装安全阀的容器上●由于物料的化学反应或其他原因内压力在瞬间急剧上升的场合。●工作介质为剧毒气体或极为昂贵气体的场合。●工作介质易于结晶、聚合、或黏性较大，容易堵塞安全阀或使阀瓣被粘住的场合。◆爆破片的安装和使用要求三、压力表◆压力表的类型及构造●压力表的类型液柱式、弹性元件式、活塞式、电量式●压力表的构造单弹簧管压力表1—弹簧弯管；2—支座；3—表壳；4—接头；5—拉杆；6—弯曲杠杆；7—指针；8—刻度盘◆压力表的选择及使用●压力表的选择★压力表的最大量程应与容器的工作压力相适应。★压力表必须要有足够的精度。◆压力表的安装及维护四、液面计和温度计◆液面计的类型化工生产中常用的液面计按结构形式有玻璃管液面计、玻璃板液面计、浮子液面计和浮标液面计，其中以玻璃管液面计和玻璃板液面计最为常用。容器附件容器上开孔，是为了安装操作与检修用的各种附件，如接管、视镜、人孔和手孔等。1接管化工设备上的接管类型容器上的工艺接管仪表接管（a）容器上的工艺接管——与供物料进出的工艺管道相连接，这类接管一般较粗，多是带法兰的短接管。（b）仪表类接管——为控制操作过程，在容器上需装置一些接管，以便和测量温度、压力及液面等的仪表相连接。接管直径较小，除用带法兰的短接管外，也可简单地用内螺纹或外螺纹管焊在设备上。2凸缘——接管长度必须很短时，可用凸缘（突出接口）来代替。凸缘具有加强开孔的作用，不需另外补强。——缺点：当螺栓折断在螺栓孔中时，取出较困难。——由于凸缘与管道法兰配用，因此它的联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。3人孔、手孔目的检查容器使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生。——人孔、手孔等，位置应便于观察或清理容器内部。人孔手孔●人孔和手孔的设置条件为了设备内部构件的安装和检修方便，需要在设备上设置人孔或手孔。当容器的内径为450～900mm时，一般不考虑设置人孔，可开设1～2个手孔；内径大于900mm时至少应设置一个人孔；设备内径大于2500mm时，顶盖与筒体上至少应各开设一个人孔。手孔的直径——一般为150～250mm，标准中手孔的公称直径有DN150和DN250两种。手孔的结构——容器上接一短管，并盖一盲板。标准规定的手孔——常压手孔、板式平焊法半手孔、带颈平焊法兰手孔、带颈对焊法兰手孔、回转盖带颈对焊法兰手孔、常压快开手孔、旋柄快开手孔、回转盖快开手孔。开设人孔条件——设备的直径超过900mm。人孔的形状——圆形（Φ400mm）和椭圆形（450mm×350mm）人孔形式——常压人孔、回转盖板式平焊法兰人孔、回转盖带颈平焊法兰人孔、回转盖带颈对焊法兰人孔、垂直吊盖板式平焊法兰人孔、垂直吊盖带颈平焊法兰人孔、垂直吊盖带颈对焊法兰人孔、水平吊盖板式平焊法兰人孔、水平吊盖带颈平焊法兰人孔、水平吊盖带颈对焊法兰人孔、常压旋柄快开人孔、椭圆形回转盖快开人孔、回转拱盖快开人孔。●化工设备上常用的人孔结构回转盖板式平焊人孔1—筒节；2—螺栓；3—螺母；4—法兰；5—垫片；6法兰、7—把手；8—轴销；9—销；10—垫圈；11、14—盖轴耳；12、13—法兰轴耳水平吊盖带颈对焊法兰人孔1—筒节；2—法兰；3—垫片；4—法兰盖；5—螺柱；6—螺母；7—吊环；8—转臂；9—垫圈；10—螺母；11—吊钩；12—环；13—无缝钢管；14—支承板垂直吊盖带颈平焊法兰人孔1—法兰盖；2—垫片；3—法兰；4—螺柱；5—螺母；6—筒节；7—把手；8—吊环；9—吊钩；10—螺母；11—垫圈；12—转臂；13—环；14—无缝钢管；15—支承板4视镜——除用来观察设备内部情况外，也可用做料面视镜。——用凸缘构成的视镜称不带颈视镜，它结构简单，不易粘料，有比较宽阔的视察范围。——标准中视孔的公称直径有50～150mm五种，公称压力达2.5MPa，设计时可选用。当视镜需要斜装或设备直径较小时，需采用带颈视镜，视镜玻璃是硅硼玻璃，容易因冲击、振动或温度剧变破裂，此时可选用双层玻璃安全视镜或带罩视镜。5液面计直公称压力不超过0.07MPa的设备，可以接在设备上开长条孔，利用矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起。设备直径大，可同时用几组液面计接管。现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。现有标准中，分玻璃板式液面计、玻璃管式液面计（HG21588～21592—1995）、磁性液位计（HG/T21584—1995）和用于低温设备的防霜液面计（HG/T21550—1993）。补强设计原则（a）等面积补强法的设计原则——规定局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积，其含义在于补强壳壁的平均强度，用于开孔等截面的外加金属来补偿削弱的壳壁强度。问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。优点：长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。（b）塑性失效补强设计原则——极限设计的方法，考虑到结构的安定性。开孔容器的接管处达到全域塑性时的极限应力应等于无孔壳体的屈服应力；同时，按弹性计算的最大应力应不超过2σs。σmax=2σs而σs=1.5[σ]所以σmax=3[σ]⑴内加强平齐接管⑵外加强平齐接管⑶对称加强凸出接管⑷密集补强。补强形式效果：密集补强对称凸出接管内加强平齐接管外加强平齐接管。